土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展

謝文光

摘 要：隨著中國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，土木工程研究也取得了重大突破，特別是當(dāng)今土木工程智能結(jié)構(gòu)體系是最先進(jìn)的科技之一，并且也是未來的重要發(fā)展趨勢，受到了該領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注和研究。土木工程中智能結(jié)構(gòu)體系的研究是當(dāng)前建筑領(lǐng)域的熱門話題。本文著重分析了土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與未來發(fā)展方向：土木工程智能結(jié)構(gòu)體系提升智能驅(qū)動工藝的研究與應(yīng)用力度；土木工程智能結(jié)構(gòu)體系提升對智能集成工藝的探討與研究力度；提升對信息傳輸與處理方面的探討與研究力度。不斷研究和開發(fā)土木工程智能結(jié)構(gòu)將為人們帶來經(jīng)濟(jì)和社會利益。

關(guān)鍵詞：土木工程；智能結(jié)構(gòu)體系；發(fā)展前景

中圖分類號：TU399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）05-0253-02

土木結(jié)構(gòu)通常會發(fā)生某些變化，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部環(huán)境影響時，在大風(fēng)和地震的情況下保護(hù)基本結(jié)構(gòu)的安全是一個重要問題，這就有必要根據(jù)自身情況對整體結(jié)構(gòu)作出調(diào)整，如何實(shí)際反映結(jié)構(gòu)控制的一體化，在此過程可以使用智能結(jié)構(gòu)材料控制系統(tǒng)，因?yàn)槭褂弥悄芙Y(jié)構(gòu)材料控制系統(tǒng)可以在強(qiáng)風(fēng)和地震條件下確保基本結(jié)構(gòu)安全。通過智能結(jié)構(gòu)材料控制可以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這是工程結(jié)構(gòu)智能控制的重要要素之一。近些年來，由于我國不合理的工程結(jié)構(gòu)特別是遇到地震時造成的安全事故不在少數(shù)，建筑結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性嚴(yán)重威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全，因此有必要研究工程結(jié)構(gòu)智能材料控制，以確保土木工程從被動控制到主動控制的逐步轉(zhuǎn)變。

1 土木工程智能結(jié)構(gòu)體系及其材料的構(gòu)成

1.1 構(gòu)成體系

通常，智能系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由三個元素組成：傳感器，信號處理器，控制器。其設(shè)計原則基于仿生學(xué)，根據(jù)生物體對外部環(huán)境中的感知和識別模式實(shí)現(xiàn)建筑物技術(shù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息收集，傳輸，處理和收集，當(dāng)系統(tǒng)收集到危險信號時，訊號處理模塊處理后，將處理結(jié)構(gòu)反饋給控制功能模塊，以抵抗外部地震，達(dá)到抗地震的目的。中國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，是導(dǎo)致中國頻繁發(fā)生地震或其他自然災(zāi)害的因素之一。地震對于土木工程結(jié)構(gòu)來說，會造成巨大破壞，使人們的生命和財產(chǎn)受到威脅。土木工程包含許多基礎(chǔ)建設(shè)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對居民的生活起著重要作用。如何改善工程建筑結(jié)構(gòu)對地震等自然災(zāi)害的抵抗力，并提高安全性和穩(wěn)定性是一個值得思考的問題，基于這樣的思想，智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研發(fā)更為重要。本文以土木工程智能結(jié)構(gòu)體系及相關(guān)材料存在的問題提出解決方案[1]。

1.2 構(gòu)成材料

第一，這種材料用于控制功能材料，比如壓電材料，各種功能性凝膠等。該類材料主要用于執(zhí)行與系統(tǒng)控制有關(guān)的功能，可以根據(jù)環(huán)境中的各種外部變化而改變[2]。它可以根據(jù)外部溫度和磁場的變化，更改自己的體系結(jié)構(gòu)，架構(gòu)和頻率，以適應(yīng)外部變化并將損失降到最低。

第二，感知類材料主要用于系統(tǒng)的傳感器功能，例如用于合成金屬，光纖等實(shí)現(xiàn)傳感功能。通常，土木工程系統(tǒng)的智能結(jié)構(gòu)就像一個仿生結(jié)構(gòu)體系，該系統(tǒng)旨在使土木工程結(jié)構(gòu)更智能。由于社會的發(fā)展和進(jìn)步正在提高對土木工程結(jié)構(gòu)的要求，土木工程智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展是一種趨勢。在當(dāng)今工程應(yīng)用中，智能結(jié)構(gòu)體系設(shè)計主要關(guān)注以下領(lǐng)域：現(xiàn)代建筑中常用的視覺與聲發(fā)射技術(shù)，超聲技術(shù)，無損檢測技術(shù)和檢測技術(shù)。但是，這些技術(shù)的應(yīng)用通常是有限的，只能用于建筑。當(dāng)檢測投入使用過程中時，將忽略對該環(huán)節(jié)的檢測，從而造成施工不及時。然而，智能結(jié)構(gòu)自我認(rèn)知，新的傳感器元件，例如光纖技術(shù)和半導(dǎo)體設(shè)備，可以有效地減少損壞程度[3]。

2 土木項(xiàng)目建設(shè)中對智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.1 外形記憶類合成金屬的應(yīng)用

發(fā)生地震時，短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量能量，從而摧毀建筑，使用外形記憶類合成金屬，大大抵消了變形能量，從而提高了抗震能力[2]。尤其是基于使用具有較強(qiáng)相變特性的外形記憶合成金屬。它的工作機(jī)制是使用耗能器檢測建筑物的變形結(jié)構(gòu)，并抵消地震產(chǎn)生的能量，以達(dá)到抗地震效果。土木工程智能結(jié)構(gòu)主要由信號處理器，傳感器和控制裝置組成，這與仿生學(xué)理論是一致的，并且可以模仿建筑結(jié)構(gòu)的潛在危險，然后迅速進(jìn)行調(diào)整。例如，傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，安全傳輸風(fēng)險的信息將被發(fā)送到控制器，控制器逐漸調(diào)整該信息以實(shí)現(xiàn)智能化處理的目的。使用智能結(jié)構(gòu)對土木工程的維護(hù)和設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。

2.2 壓電材料的應(yīng)用

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，使用壓電材料不僅可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)形變和噪聲控制，而且還可以執(zhí)行維護(hù)、安全管理、狀態(tài)監(jiān)視等任務(wù)，并提高了抗風(fēng)和抗震能力。壓電錐工藝一般在建筑中被廣泛使用，以提高抗地震措施并取得良好的效果。智能材料可以分為兩類：一是受生產(chǎn)材料的驅(qū)動，包括各種形狀記憶材料和磁流變體材料。這些材料中最重要的是利用溫度和電場，磁場的大小，位置和頻率形成適應(yīng)功能。二是傳感器元件的，其特征在于材料的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)刺激材料的強(qiáng)度和張力，這就是為什么它也被稱為壓電材料。該材料主要用于光纖，亞聚合物合金和壓電陶瓷。該材料對當(dāng)前用途非常重要。材料可以通過溫度、電場和磁場的變化而改變其結(jié)構(gòu)的形狀、位置和頻率，以此來創(chuàng)建某些力學(xué)性能。所以，可以生產(chǎn)特殊的材料和驅(qū)動元件來合成。

2.3 愈合凝膠原料的應(yīng)用研究

在設(shè)計過程中，將可愈合材料（聚丙烯纖維等）以一定比例加入混凝土結(jié)構(gòu)中，如果建筑因地震或其他風(fēng)險造成損壞時可以快速修復(fù)建筑物的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，該解決方案是克服混凝土結(jié)構(gòu)損壞的最佳方法，但是這種方法仍在探索中。隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，其具有很大的應(yīng)用空間。土木工程的智能結(jié)構(gòu)有很大的發(fā)展?jié)摿Γ匀淮嬖谠S多問題和弊端。在智能土木工程結(jié)構(gòu)中，除了改進(jìn)智能傳感技術(shù)外，還必須改進(jìn)智能驅(qū)動技術(shù)。另外，加快處理和傳輸信息的速度以及智能集成技術(shù)的發(fā)展是土木結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展方向。

2.4 土木工程智能結(jié)構(gòu)體系光導(dǎo)纖維的應(yīng)用研究

該體系中的傳感器由一個光導(dǎo)光纖組成，該傳感器主動監(jiān)測地震反應(yīng)，通常在建筑的結(jié)構(gòu)中發(fā)揮診斷作用。其作用機(jī)理如下：在混凝土嫁構(gòu)中增加光纖構(gòu)造傳導(dǎo)元組件，就可以實(shí)現(xiàn)其相位控制及其他相關(guān)任務(wù)包括架構(gòu)形變，損傷，強(qiáng)度，振動等指標(biāo)進(jìn)行檢測，使土木工程智能化結(jié)構(gòu)具有識別和自我修復(fù)功能。智能傳感器技術(shù)是一項(xiàng)重要技術(shù)。智能傳感器技術(shù)的特殊功能是實(shí)現(xiàn)傳感元件，這些元件為智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在許多傳感器領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供了條件，但是智能傳感器它涉及智能傳感器的大小和抗干擾能力可以與各種材料混合，在智能結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用。為了提高智能傳感器性能，有必要通過集成電磁和模擬來提高性能[4]。（見圖1）

3 土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與未來發(fā)展方向

3.1 土木工程智能結(jié)構(gòu)體系提升智能驅(qū)動工藝的研究與應(yīng)用力度

智能驅(qū)動工藝對于控制和修復(fù)建筑物的結(jié)構(gòu)和形狀是必不可少的。技術(shù)原理是：如果外部環(huán)境發(fā)生變化，則可以減少建筑物的結(jié)構(gòu)損壞，因?yàn)橹悄茉梢皂憫?yīng)環(huán)境的變化而改變其屬性，確保建筑安全穩(wěn)定。因此，這對于改進(jìn)智能驅(qū)動工藝的研究和應(yīng)用是非常必要的，可以從三種方式開始：一是改善驅(qū)動材料與主體材料的整合度[2]，以提高其強(qiáng)度和效率。二是在選擇材料時，使用彈性大和抗沖擊性極好的材料。三是進(jìn)一步研究以提高響應(yīng)率和速度。

3.2 土木工程智能結(jié)構(gòu)體系提升對智能集成工藝的探討與研究力度

對于架構(gòu)控制體系來說，就好像生物體大腦控制系統(tǒng)，對生物體的各種活動可以進(jìn)行協(xié)調(diào)，為了改善土木工程智能結(jié)構(gòu)的控制性能，未來需要作出努力以加強(qiáng)智能化集成方面研究和開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)形變的協(xié)調(diào)控制，最重要的智能建構(gòu)體系在土木工程自身結(jié)構(gòu)恢復(fù)民事?lián)p害賠償，而最重要的維修方法是使用智能驅(qū)動工藝。智能驅(qū)動技術(shù)的差異在于通用建筑系統(tǒng)和智能建筑系統(tǒng)。為了提高驅(qū)動技術(shù)，增強(qiáng)電磁場的智能變化，提高計算能力，提高自適應(yīng)驅(qū)動技術(shù)，考慮材料本身的結(jié)構(gòu)，具有較大的彈性模量和抗沖擊性能，智能材料的反應(yīng)速度快，確保在使用過程中可以輕松控制材料結(jié)構(gòu)。

3.3 提升對信息傳輸與處理方面的探討與研究力度

在整個系統(tǒng)中，主要使用訊號傳導(dǎo)器來進(jìn)行信號發(fā)送和處理信息，負(fù)責(zé)處理和傳達(dá)這些消息，創(chuàng)建具有各種功能連接的有機(jī)整體。因此，有必要加大該領(lǐng)域的研發(fā)力度，以提高系統(tǒng)的整體性能。信息處理與傳遞是土木工程智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要支撐系統(tǒng)，模塊化信息處理器和發(fā)送器執(zhí)行大多數(shù)功能。可以準(zhǔn)確、及時地將土木工程的受損程度發(fā)送到控制系統(tǒng)。通過計算和處理當(dāng)前信息，由于數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，延遲處理和傳輸，需要整合處理器和傳輸器以加快處理傳輸速度。

4 結(jié)語

本文從土木工程智能結(jié)構(gòu)體系在建筑工程的應(yīng)用，對智能結(jié)構(gòu)的原件以及構(gòu)成材料進(jìn)行了分析，然后從土木工程智能結(jié)構(gòu)體系設(shè)計，使用合成材料應(yīng)用到建筑工程的智能結(jié)構(gòu)中，使用壓電材料體系愈合凝膠原料的應(yīng)用研究以及光纖用于智能設(shè)計研究，智能結(jié)構(gòu)在建筑項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。提出要加強(qiáng)智能驅(qū)動技術(shù)的研究和應(yīng)用。關(guān)于技術(shù)集成和改善土木工程智能結(jié)構(gòu)信息傳遞和處理的研究討論，對土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與未來發(fā)展方向進(jìn)行了分析。從以上可以看出，土木工程智能結(jié)構(gòu)體系是當(dāng)前建筑行業(yè)使用的主要技術(shù)，也是未來研究的重要領(lǐng)域。未來，人類科技將不斷進(jìn)步，還會發(fā)現(xiàn)許多新材料。因此，有必要積極應(yīng)對未來，加大研究力度，不斷優(yōu)化智能體系結(jié)構(gòu)，提高建筑物的安全性，改善建筑物的抗震性才能保護(hù)人們的生命和財產(chǎn)安全[2]。該系統(tǒng)的智能結(jié)構(gòu)是一種相對較新的科學(xué)技術(shù)，涵蓋了相對廣泛的領(lǐng)域。該技術(shù)應(yīng)用于建筑物具有極大的潛力，可以提高建筑物的安全性。現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是智能材料的發(fā)展，以及智能建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展正在發(fā)生巨大變化，這需要我們結(jié)合智能建筑材料和智能系統(tǒng)的發(fā)展優(yōu)勢，完成與土木工程兼容的智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計。對智能結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)和研究為土木工程的發(fā)展提供了很好的機(jī)會。如今，中國的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有了長足的發(fā)展，智能結(jié)構(gòu)促進(jìn)土木工程的發(fā)展，并且不斷研究和開發(fā)土木工程智能結(jié)構(gòu)將為人們帶來經(jīng)濟(jì)和社會利益。

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（責(zé)任編輯：李凌峰）